第五章 - 步进电机运动控制系统
发布时间：2020-02-28 09:39来源：未知
第五章 步进电机运动控制系统
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为13分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括简答题和计算题，对于一些公式、原理、算法要加以重视。
二、本章考核知识点
1）运动控制系统组成，步进电机增量控制原理；
2）步进电机分类与工作原理，主要特性与指标；
3）步进电机驱动电路；
4）脉冲分配器作用与实现方法；
5）DDA法运动控制；
6）步进电机运动控制系统。
本章近几年考试分值：
第一节 步进电机运动控制系统组成
步进电机采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。
步进电机可实现直接数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会积累。组成包括运动控制软件，脉冲分配器，驱动电路，步进电机及传动装置。
第二节 步进电机原理及特性
步进电机驱动系统（开环控制系统）
步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。
步距角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角
脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移
转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相序。
主要类型：反应式步进电机，永磁式步进电机，混合式步进电机
反应式步进电机又称变磁阻式步进电机，其定子和转子均由硅钢片制成，定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组，在转子的圆柱面上均匀分布小齿。依靠定子和转子直接气隙磁场吸力，产生电磁转矩，使转子向气隙磁场减小的位置移动。结构简单，启动和运行频率高，消耗功率大，断电时无定位转矩。
永磁式步进电机定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。消耗功率小，但步距角大，启动和运行频率低，需要正、负脉冲供电。
混合式步进电机又叫永磁感应式步进电机，定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组，而转子由环形磁钢且两端罩上帽式铁心组成。启动和运行频率高，消耗功率小，步距角小，但制造工艺复杂。
1.反应式步进电机工作原理
通电方式
三相单三拍：(正转) A-B-C-A
(反转) A-C-B-A
三相双三拍：(正转) AB-BC-CA-AB
(反转) AC-CB-BA-AC
三相六拍： (正转) A-AB–B-BC- C -CA-A
(反转) A-AC-C-CB-B-BA-A
步进电机步距角
m: 控制绕组相数z: 转子齿数 c：通电方式，纯单拍或纯双拍取1，单双拍交替取2
2.特性及主要技术指标
1）静态运行特性
静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变控制绕组通电状况下，电磁转矩与转子转角关系。
一般电磁转矩可表示为：
—最大转矩值，即最大静转矩，发生在
处
—转子位置
—转子齿距，
2)转速公式
f:运行频率
m: 控制绕组相数
z: 转子齿数
c：通电方式，纯单拍或纯双拍取1，单双拍交替取2
3）单脉冲运行特性
当步进电机输入单脉冲时，电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域，称为动稳定区。动态稳定区的边界到初始稳定平衡位置点的区域称为裕角量
，裕角量越大，步进电机运行越稳定，可表示为：
最大负载转矩又称启动转矩
，当矩角特性为正弦波时，最大负载转矩
—最大转矩值，即最大静转矩，发生在处的主要特性
1）步距角：
2）输出扭矩：必须大于负载转距
3）最高启动、停止脉冲频率：
步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。
4）连续运行的最高工作频率：
在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进电机不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率。步进电机的步距角越小，裕量角越大，最大静转矩值越大，转动惯量越小，相绕组时间常数越小，启动频率就越高。
启动后，步进电机不失步运行的最高输入脉冲频率称为连续运行频率。
步进电机在低频段启动，当输入脉冲频率等于步进电机的自然频率时，会出现转子振荡，且振幅越来越大，产生电机不能启动现象，这种现象称为低频共振。
步进电机工作在某一较高频段时，会出现相绕组内电流振荡，使转子转动呈现不均匀，以致失步的现象，这种现象称为高频振荡。
第三节 步进电机驱动电路
步进电机驱动电路要求：1）能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；2）具有供截止期间释放电流的回落，以降低相绕组的反电动势，加快电流衰减；3）功耗尽量低，效率高
1.单极性驱动电路
三相反应式步进电机最基本的电路形式，P172，图中R是限流电阻，VD和Rf是续流二极管，作用是晶体管关断时，为相绕组电流提供续流回路。
2.双极性驱动电路
主要用于混合式或永磁式步进电机
工作时，VT1-VT4成对开关，即VT1和VT4同时导通或截止，VT2和VT3同时导通或截止。当VT1和VT4同时导通时，VT2和VT3则截止，电流从a流向b，反之电流从b流向a。当同时截止时，无电流通过相绕组。
VD1-VD4为续流二极管，提供相电流续流回路, 当VT1和VT4由导通转为截止时，相电流将沿VD2、直流电源和VD3流动。由于续流回路包含直流电源，所以相绕组存储的能量有一部分返回到电源中，而不是消耗在电阻上，因此效率较高。
3.斩波恒流驱动电路
4.细分电路
通过控制电机各绕组电流的大小和比例，使步距角减小。细分电路提高了步进电机分辨率，又能够平滑步进运动，减弱甚至消除振荡。
第四节 脉冲分配器
脉冲分配器可以通过硬件实现，也可以软件实现
第五节 DDA法运动控制
DDA法就是采用数字量表达加速度、速度及位置坐标，将加速度到速度和速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分，从而产生增量式运动控制指令。
1.常速度分布
常速度位置函数：
其中
为采样周期
2.常加速度分布
计算公式：
本章在考试中占13分，2个简答，1个计算！
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为13分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括简答题和计算题，对于一些公式、原理、算法要加以重视。
二、本章考核知识点
1）运动控制系统组成，步进电机增量控制原理；
2）步进电机分类与工作原理，主要特性与指标；
3）步进电机驱动电路；
4）脉冲分配器作用与实现方法；
5）DDA法运动控制；
6）步进电机运动控制系统。
本章近几年考试分值：
| 选择题 | 简答题 | 计算题 | 简单应用 | 综合应用 | 合计 |
| 8（2、3） | 5（2） | 13 | |||
| 8（2、2） | 5（2） | 13 | |||
| 8（2、3） | 5（2） | 13 | |||
| 8（2、5） | 5（2） | 13 | |||
| 8（2、2） | 5（2和4） | 13 | |||
| 8（2、2） | 5（2） | 13 |
第一节 步进电机运动控制系统组成
步进电机采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。
步进电机可实现直接数字控制，在开环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会积累。组成包括运动控制软件，脉冲分配器，驱动电路，步进电机及传动装置。
第二节 步进电机原理及特性
步进电机驱动系统（开环控制系统）
步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。
步距角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角
脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移
转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相序。
主要类型：反应式步进电机，永磁式步进电机，混合式步进电机
反应式步进电机又称变磁阻式步进电机，其定子和转子均由硅钢片制成，定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组，在转子的圆柱面上均匀分布小齿。依靠定子和转子直接气隙磁场吸力，产生电磁转矩，使转子向气隙磁场减小的位置移动。结构简单，启动和运行频率高，消耗功率大，断电时无定位转矩。
永磁式步进电机定子极上有两相或多相控制绕组，转子为一对或多对极的星形永久磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。消耗功率小，但步距角大，启动和运行频率低，需要正、负脉冲供电。
混合式步进电机又叫永磁感应式步进电机，定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组，而转子由环形磁钢且两端罩上帽式铁心组成。启动和运行频率高，消耗功率小，步距角小，但制造工艺复杂。
1.反应式步进电机工作原理通电方式
三相单三拍：(正转) A-B-C-A
(反转) A-C-B-A
三相双三拍：(正转) AB-BC-CA-AB
(反转) AC-CB-BA-AC
三相六拍： (正转) A-AB–B-BC- C -CA-A
(反转) A-AC-C-CB-B-BA-A
步进电机步距角
m: 控制绕组相数z: 转子齿数 c：通电方式，纯单拍或纯双拍取1，单双拍交替取2
2.特性及主要技术指标
1）静态运行特性
静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变控制绕组通电状况下，电磁转矩与转子转角关系。
一般电磁转矩可表示为：
—最大转矩值，即最大静转矩，发生在处—转子位置—转子齿距，2)转速公式
f:运行频率
m: 控制绕组相数
z: 转子齿数
c：通电方式，纯单拍或纯双拍取1，单双拍交替取2
3）单脉冲运行特性
当步进电机输入单脉冲时，电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态不引起失步的区域，称为动稳定区。动态稳定区的边界到初始稳定平衡位置点的区域称为裕角量
，裕角量越大，步进电机运行越稳定，可表示为：最大负载转矩又称启动转矩
，当矩角特性为正弦波时，最大负载转矩—最大转矩值，即最大静转矩，发生在处的主要特性1）步距角：
2）输出扭矩：必须大于负载转距
3）最高启动、停止脉冲频率：
步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。
4）连续运行的最高工作频率：
在负载转矩小于启动转矩的条件下，步进电机不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率。步进电机的步距角越小，裕量角越大，最大静转矩值越大，转动惯量越小，相绕组时间常数越小，启动频率就越高。
启动后，步进电机不失步运行的最高输入脉冲频率称为连续运行频率。
步进电机在低频段启动，当输入脉冲频率等于步进电机的自然频率时，会出现转子振荡，且振幅越来越大，产生电机不能启动现象，这种现象称为低频共振。
步进电机工作在某一较高频段时，会出现相绕组内电流振荡，使转子转动呈现不均匀，以致失步的现象，这种现象称为高频振荡。
第三节 步进电机驱动电路
步进电机驱动电路要求：1）能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；2）具有供截止期间释放电流的回落，以降低相绕组的反电动势，加快电流衰减；3）功耗尽量低，效率高
1.单极性驱动电路
三相反应式步进电机最基本的电路形式，P172，图中R是限流电阻，VD和Rf是续流二极管，作用是晶体管关断时，为相绕组电流提供续流回路。
2.双极性驱动电路
主要用于混合式或永磁式步进电机
工作时，VT1-VT4成对开关，即VT1和VT4同时导通或截止，VT2和VT3同时导通或截止。当VT1和VT4同时导通时，VT2和VT3则截止，电流从a流向b，反之电流从b流向a。当同时截止时，无电流通过相绕组。
VD1-VD4为续流二极管，提供相电流续流回路, 当VT1和VT4由导通转为截止时，相电流将沿VD2、直流电源和VD3流动。由于续流回路包含直流电源，所以相绕组存储的能量有一部分返回到电源中，而不是消耗在电阻上，因此效率较高。
3.斩波恒流驱动电路
4.细分电路
通过控制电机各绕组电流的大小和比例，使步距角减小。细分电路提高了步进电机分辨率，又能够平滑步进运动，减弱甚至消除振荡。
第四节 脉冲分配器
脉冲分配器可以通过硬件实现，也可以软件实现
第五节 DDA法运动控制
DDA法就是采用数字量表达加速度、速度及位置坐标，将加速度到速度和速度到位置的积分表达式，采用求和的方法进行近似数值积分，从而产生增量式运动控制指令。
1.常速度分布
常速度位置函数：
其中
为采样周期2.常加速度分布
计算公式：
本章在考试中占13分，2个简答，1个计算！
